Le , elle s'envole à bord du lanceur Soyouz MS-09 depuis Baïkonour à destination de l'ISS[5] avec Alexander Gerst[6] et Sergueï Prokopiev. L'amarrage a eu lieu le . Serena Auñón-Chancellor participe aux expéditions 56 et 57 de l'ISS en tant qu'ingénieur de vol.
Environ deux mois après l'arrivée d'un astronaute resté anonyme, un caillot sanguin est trouvé par hasard dans une de ses veines jugulaires[7] au cours d'une expérience de recherche sur le comportement des fluides corporels en état de microgravité. Celui-ci est d'abord traité à l'enoxaparine pendant quarante jours puis à l'apixaban après l'arrivée d'un ravitaillement. C'est lui-même qui réalise les examens par ultrasons pour déterminer l'évolution de sa maladie en suivant les conseils d'une équipe de radiologie au sol[8]. Une fois de retour sur Terre, un examen médical révèle que sa thrombose est guérie[8]. L'étude de ce cas a été réalisée par Serena Maria Auñón-Chancellor[8].
Le , à la suite des incidents ayant affecté le lancement puis l'amarrage du module russe Nauka, dans le cadre de l'enquête sur l'incident du Soyouz MS-09, concernant un trou de 2 mm de diamètre ayant été détecté dans la capsule le , colmaté par Prokopiev, l'agence Tass, citant une source anonyme à Roscosmos, accuse Serena d'avoir subi un épisode de crise de nerfs liée à la découverte du caillot sanguin sur elle, prétendant donc révéler l'identité de l'astronaute atteint, au cours de la mission et d'avoir saboté la capsule en y forant un trou, dans l'espoir d'être renvoyée plus vite sur Terre. La NASA intervient pour défendre son astronaute et rejette les accusations russes[7].